【C++】cin和cout的性能问题讨论和优化方法

目录

• 1、背景知识
• 2、`ios::sync_with_stdio(false)`
• • [2.1 **作用**](#2.1 作用)
  • [2.2 原理](#2.2 原理)
  • [2.3 注意事项](#2.3 注意事项)
• 3、`cin.tie(0)`
• • [3.1 作用](#3.1 作用)
  • [3.2 原理](#3.2 原理)
  • [3.3 注意事项](#3.3 注意事项)
• 4、代码演示
• 5、实例操作
• • [5.1 创建数据文件](#5.1 创建数据文件)
  • [5.2 进行代码演示](#5.2 进行代码演示)

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1、背景知识

1. 在 C++ 中，标准输⼊输出流如 cin 和 cout 是由 C++ 的标准库提供的；而在 C 语言中，标准输入输出函数如 scanf 和 printf 是由 C 标准库提供的。由于 C++ 是从 C发展而来的语言，C++ 标准库的输入输出流系统需要与 C 标准库的输入输出系统兼容，以确保在同一程序中能够混合使用 C 和 C++ 的输⼊输出函数。为了实现这种兼容性，C++标准库默认会将 cin 、 cout 等 C++ 流对象与 stdin 、 stdout 等 C 标准库的流对象同步在⼀起(流同步) 。这种同步操作意味着每次使用 cin 或 cout 时，都会自动刷新 C 标准库的缓冲区，以确保 C++ 和 C 的 I/O 是⼀致的，这就导致了效率问题。
2. 在默认情况下， cin 和 cout 之间存在⼀种绑定关系 。这种绑定意味着，每当从cin 读取数据时，任何之前通过 cout 输出的内容都会被强制刷新到屏幕上。这个机制保证了输出内容能够立即显示给用户，这对于交互式程序非常有用。但是，这种绑定也可能导致性能问题，特别是在需要频繁读取大量数据的情况下。这是因为每次从 cin 读取数据都会触发⼀次输出缓冲区的刷新，即使实际上没有进行输出操作，也会浪费时间。

你也可以从C++的相关网站上看到这两点：

2、ios::sync_with_stdio(false)

2.1 作用

调用ios::sync_with_stdio(false)可以关闭C++标准库与C标准库之间的I/O同步，这意味着C++标准库的cin和cout将不再与C的stdin和stdout同步，以及cin和cout的I/O操作将不再自动刷新C标准库的缓冲区，这减少了不必要的同步开销，从而提高了I/O操作的效率。

2.2 原理

默认情况下，ios::sync_with_stdio(true)会使 cin 、cout等流对象与stdin 、stdout等流对象同步。这种同步操作会在每次I/O操作时确保两者之间的数据⼀致性，但也会增加额外的性能开销。

当你调用ios::sync_with_stdio(false)时，C++标准库会解除这种同步，从而允许cin和cout的 I/O操作以更高的效率独立进行。

2.3 注意事项

混用C和C++ I/O函数 ：如果你的程序既使用了C的I/O函数，如printf、scanf，又使用了C++的 I/O 函数，如cin、cout，则不建议使用sync_with_stdio(false)，因为这可能导致不可预期的行为 ，如输出顺序错乱。

线程安全性 ：解除同步后，I/O操作可能不再是线程安全的，特别是在多线程环境中需要谨慎使用。

3、cin.tie(0)

3.1 作用

取消cin与cout之间的绑定。这样⼀来，当从cin读取数据时，cout的缓冲区就不会被刷新。这可以提高输入操作的速度，尤其是在需要处理大量数据的情况下。

3.2 原理

在默认情况下，cin和cout之间存在⼀种绑定关系 。这种绑定意味着，每当从cin读取数据时，任何之前通过cout输出的内容都会被强制刷新到屏幕上。这个机制保证了输出内容能够立即显示给用户，这对于交互式程序非常有用。但是，这种绑定也可能导致性能问题，特别是在需要频繁读取大量数据的情况下。这是因为每次从cin读取数据都会触发⼀次输出缓冲区的刷新，即使实际上没有进行输出操作，也会浪费时间。

3.3 注意事项

程序逻辑 ：在某些依赖于默认绑定行为的程序中，取消绑定可能会导致程序逻辑错误。例如，如果期望在读取输入前能看到提示信息，则需要显式地调用cout的flush方法确保输出被刷新。

4、代码演示

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	ios::sync_with_stdio(false);
	cin.tie(0);

	int a;
	cin >> a;
	cout << a << endl;

	return 0;
}

当你的做题经验丰富时，你可以总结出以下几点：

• 当输入的数据量比较小(10^6以内)时，使用cin和cout或scanf和printf都可以；
• 当输入的数据量比较大(10^9左右)时，更推荐使用scanf和printf或优化后的cin和cout。

5、实例操作

我们创建一个有一千万个数据的文件，然后分别使用cin和cout、scanf和printf、优化后的cin和cout进行读写操作，分别查看程序的运行所需时间。

5.1 创建数据文件

利用我们之前博客中讲过的文件操作创建数据文件。

void creatdata()
{
	int num = 10000000;
	FILE* file = fopen("data.txt", "w");
	if (file == nullptr)
	{
		perror("fopen fail!");
		exit(1);
	}
	for (int i = 0;i < num;i++)
	{
		fprintf(file, "%d ", i);
	}
	fclose(file);
}

准备进度 ：

这里我们已经将我们的数据文件创建出来了一共有一千万个数字(从0到9999999)。

5.2 进行代码演示

cin和cout：

#include <iostream>
#include <ctime>
#include <vector>
#include <cstdio>
using namespace std;
const int num = 10000000;
int main()
{
	freopen("data.txt", "r", stdin);
	vector<int> v;
	clock_t t1, t2;
	t1 = clock();//获取开始时间
	for (int i = 0;i < num;i++)
	{
		int x;
		cin >> x;
		v.push_back(x);
	}
	//这里输出一部分数据，否则太耗时
	for (int i = 0;i < 100000;i++)
	{
		cout << v[i] << " ";
	}
	t2 = clock();//获取结束时间
	system("cls");//清屏，便于获取数据
	cout << "runtime of cin、cout:" << t2 - t1 << "ms" << endl;
	return 0;
}

运行结果 ：

这里运行花费了28秒 。
scanf和printf：

#include <iostream>
#include <ctime>
#include <vector>
#include <cstdio>
using namespace std;
const int num = 10000000;
int main()
{
	freopen("data.txt", "r", stdin);
	vector<int> v;
	clock_t t1, t2;
	t1 = clock();//获取开始时间
	for (int i = 0;i < num;i++)
	{
		int x;
		scanf("%d", &x);
		v.push_back(x);
	}
	//这里输出一部分数据，否则太耗时
	for (int i = 0;i < 100000;i++)
	{
		printf("%d ", v[i]);
	}
	t2 = clock();//获取结束时间
	system("cls");//清屏，便于获取数据
	cout << "runtime of scanf、printf:" << t2 - t1 << "ms" << endl;

	return 0;
}

运行结果 ：

这里运行花费了4秒 ，和上面的cin和cout进行对比发现，当数据量足够大时，耗费的时间成倍增长，使用cin和cout很有可能在数据量很大的竞赛题目场景下，让你无法AC题目。

我们再来看看优化后的cin和cout：

#include <iostream>
#include <ctime>
#include <vector>
#include <cstdio>
using namespace std;
const int num = 10000000;
int main()
{
	//取消给C语言输入输出缓冲区的同步
	ios::sync_with_stdio(false);
	//解除cin和cout的绑定
	cin.tie(0);

	freopen("data.txt", "r", stdin);
	vector<int> v;
	clock_t t1, t2;
	t1 = clock();//获取开始时间
	for (int i = 0;i < num;i++)
	{
		int x;
		scanf("%d", &x);
		v.push_back(x);
	}
	//这里输出一部分数据，否则太耗时
	for (int i = 0;i < 100000;i++)
	{
		printf("%d ", v[i]);
	}
	t2 = clock();//获取结束时间
	system("cls");//清屏，便于获取数据
	cout << "runtime of cin、cout:" << t2 - t1 << "ms" << endl;
	return 0;
}

运行结果 ：

这次的运行时间缩减到了4秒，与scanf和printf不相上下。这就是cin和cout的优化。

总结：
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